JP2017191666A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補機類による電力消費を抑制し、より高い効率で発電を行うことのできる燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池装置１０は、原燃料ガス及び水蒸気の供給を受けて水蒸気改質を行い、これにより燃料ガスを生成する改質器１２０と、燃料ガスの供給を受けて発電するセルスタック１１０と、発電に寄与することなくセルスタック１１０から排出された残余の燃料ガス、である残余燃料を吸引し、当該残余燃料を前記改質器１２０に送り込むエジェクタ２０と、を備える。エジェクタ２０は、改質器１２０に供給される水蒸気の流れを利用して残余燃料を吸引し、水蒸気と共に残余燃料を改質器１２０に送り込むように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスが有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。

燃料電池装置は、既存インフラから得られる原燃料ガス（都市ガス、ＬＰＧ等）を改質して水素を生成する改質器を備えるのが一般的となっている。改質器の内部には改質触媒が配置されている。改質器では、供給された原燃料ガス及び水蒸気が高温の改質触媒に触れることで水蒸気改質反応が生じ、水素が生成される。当該水素を含有するガスが、燃料ガスとして改質器からセルスタックへと供給される。

セルスタックから排出される残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）には、水素及び水蒸気が含まれている。そこで、残余燃料を再び改質器に戻すような流路を設けて、残余燃料に含まれる水素及び水蒸気を水蒸気改質のために再利用することが行われている（例えば下記特許文献１を参照）。このような構成の燃料電池装置では、原燃料ガスが有していた化学エネルギーが更に有効に利用される。

残余燃料を再び改質器に戻すために、下記特許文献１に記載の燃料電池装置では、改質器に原燃料ガスを供給するための流路の途中にエジェクタが配置されている。当該エジェクタには、セルスタックから排出された残余燃料を戻すための配管が接続されている。エジェクタの内部では、改質器に向かう原燃料ガスの流れによって残余燃料が引き込まれ、原燃料ガスの流れに合流する。その後、残余燃料は原燃料ガスと共に改質器に供給され、再び水蒸気改質反応に供される。

特開２００９−７６２７３号公報

エジェクタは、ノズルの先端に形成された微小な径の開口から駆動流体を噴出し、駆動流体の高速な流れによって被駆動流体を内部に吸引するような構成となっている。上記特許文献１に記載の燃料電池装置では、上記の駆動流体として原燃料ガスがエジェクタに供給され、上記の被駆動流体として残余燃料がエジェクタに吸引される。このため、原燃料ガスは、ブロアやコンプレッサによって加圧された後にエジェクタに供給されると考えられる。

しかしながら、気体である原燃料ガスを圧縮する際におけるブロア等の動作負荷は比較的大きい。このため、ブロア等を含む補機類の駆動のために消費される電力によって、燃料電池装置の全体における発電効率が低下してしまう。発電効率を高めるためには、補機類の動作負荷をより小さくする必要がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、補機類による電力消費を抑制し、より高い効率で発電を行うことのできる燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、原燃料ガス及び水蒸気の供給を受けて水蒸気改質を行い、これにより燃料ガスを生成する改質器と、燃料ガスの供給を受けて発電するセルスタック（１１０）と、発電に寄与することなくセルスタックから排出された残余の燃料ガス、である残余燃料を吸引し、当該残余燃料を改質器に送り込む再循環装置（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，４０）と、を備える。再循環装置は、改質器に供給される水蒸気の流れを利用して残余燃料を吸引し、水蒸気と共に残余燃料を改質器に送り込むように構成されている。

このような燃料電池装置では、エジェクタのような再循環装置が、水蒸気の流れを利用して残余燃料を吸引するように構成されている。再循環装置に水蒸気を送り込むための補機類としては、例えば、加熱される前の液体の水を送り出すポンプを用いることができる。この場合、原燃料ガス等の気体がコンプレッサにより送り出されるような構成に比べると、補機類の動作負荷を著しく低減することができる。その結果、補機類による電力消費を抑制し、これにより燃料電池装置の発電効率を高めることができる。

本発明によれば、補機類による電力消費を抑制し、より高い効率で発電を行うことのできる燃料電池装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の構成を示す図である。 燃料電池装置が備えるエジェクタの構成を示す図である。 コンプレッサ等により送り出される流体の状態を示すモリエル線図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置、に備えられるエジェクタの構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置、に備えられるエジェクタの構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池装置の構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る燃料電池装置の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１を参照しながら、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態に係る燃料電池装置１０は、セルスタック１１０と、燃焼器１３０と、改質器１２０と、エジェクタ２０と、を備えている。

セルスタック１１０は、複数の単セル（不図示）の集合体である。それぞれの単セルは、固体酸化物形の燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。

セルスタック１１０には、配管１５６と、配管１６４とが接続されている。配管１５６は、後述の改質器１２０において生成された水素含有ガス（以下、「燃料ガス」とも称する）をセルスタック１１０に供給するための配管である。配管１５６を通ってセルスタック１１０に供給された燃料ガスは、それぞれの単セルの燃料極に到達し、発電に供される。

配管１６４は、後述の空気ブロア１６２から送り込まれた発電用の空気（酸化剤）をセルスタック１１０に供給するための配管である。配管１６４を通ってセルスタック１１０に供給された空気は、それぞれの単セルの空気極に到達し、発電に供される。

燃焼器１３０は、発電に寄与することなくセルスタック１１０から排出された残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）を燃焼させるためのバーナーである。燃焼器１３０には、配管１５７と、配管１６５と、配管１９１とがそれぞれ接続されている。

配管１５７は、セルスタック１１０から排出された残余燃料を燃焼器１３０に供給するための配管である。配管１５７は、一端がセルスタック１１０に接続されており、他端が燃焼器１３０に接続されている。

配管１６５は、発電に寄与することなくセルスタック１１０から排出された残余の空気を、燃焼器１３０に供給するための配管である。配管１６５は、一端がセルスタック１１０に接続されており、他端が燃焼器１３０に接続されている。

燃焼器１３０では、配管１５７を通った残余燃料と、配管１６５を通った残余の空気との混合気体が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。配管１９１は、このように生じた燃焼排ガスを外部に排出するための配管である。配管１９１は、その一端が燃焼器１３０に接続されている。また、配管１９１の他端側は２つの配管（配管１９２、配管１９５）に分岐している。

配管１９２は、配管１９１の下流側端部と後述の熱交換器１８０とを繋ぐ配管である。配管１９２を通って熱交換器１８０に供給された燃焼排ガスは、熱交換器１８０における熱交換に供された後、配管１９４を通って外部に排出される。

配管１９５は、配管１９１の下流側端部と後述の熱交換器１７０とを繋ぐ配管である。配管１９５を通って熱交換器１７０に供給された燃焼排ガスは、熱交換器１７０における熱交換に供された後、配管１９６を通って外部に排出される。

改質器１２０は、原燃料ガス（都市ガス）及び水蒸気の供給を受けて水蒸気改質を行い、これにより燃料ガスを生成するものである。改質器１２０には、配管１５６の上流側端部が接続されている。また、改質器１２０には、配管１５５の下流側端部も接続されている。配管１５５は、改質器１２０に原燃料ガス及び水蒸気等を供給するための配管である。配管１５５の上流側端部は、エジェクタ２０の排出口２３１に接続されている。エジェクタ２０の構成については後に説明する。

改質器１２０の内部には、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させてなる改質触媒（不図示）が多数充填されている。配管１５５を通った原燃料ガス及び水蒸気が改質器１２０に供給されると、これらが改質触媒に触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガスが生成される。既に述べたように、燃料ガスは、配管１５６を通ってセルスタック１１０に供給される。

尚、改質器１２０において水蒸気改質反応が生じるためには、改質器１２０及び内部の改質触媒が高温（約７００℃）となっている必要がある。また、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を維持するためには、外部から改質器１２０に対して継続的に熱が加えられる必要がある。本実施形態では、燃焼排ガスが通る配管１９２の一部が改質器１２０の近傍に配置されている。具体的には、配管１９２の一部が改質器１２０の外壁面に接しており、配管１９２を通る燃焼排ガスの熱が改質器１２０に伝達されるような構成となっている。燃焼排ガスの熱によって、改質器１２０の内部における水蒸気改質反応が維持される。

セルスタック１１０に供給される空気の流れについて説明する。空気は、空気供給源１６０から配管１６１を通って燃料電池装置１０に供給され、空気ブロア１６２によってセルスタック１１０に送り込まれる。配管１６１は、空気供給源１６０と空気ブロア１６２とを繋ぐ配管である。本実施形態においては、空気供給源１６０は大気である。

空気ブロア１６２とセルスタック１１０との間には、熱交換器１８０が設けられている。空気ブロア１６２と熱交換器１８０との間は配管１６３で繋がれており、熱交換器１８０とセルスタック１１０との間は配管１６４で繋がれている。熱交換器１８０は、配管１９２を通る高温の燃焼排ガスと、配管１６３を通る空気との間で熱交換を行わせることにより、空気を加熱するための熱交換器である。空気は、熱交換器１８０において加熱されその温度を上昇させた後に、配管１６４を通ってセルスタック１１０に供給される。

改質器１２０に供給される水蒸気の流れについて説明する。水蒸気の原料となる液体の水は、水供給源１５０から配管１５１を通って燃料電池装置１０に供給され、水供給ポンプ１５２によって改質器１２０側に送り込まれる。水供給ポンプ１５２は、液体の水を加圧して下流側に送り出すための装置（水供給装置）である。

水供給ポンプ１５２と改質器１２０との間は直結されておらず、両者の間には熱交換器１７０とエジェクタ２０とが配置されている。本実施形態では、水供給源１５０は給水タンクである。

水供給ポンプ１５２と熱交換器１７０との間は配管１５３で繋がれており、熱交換器１７０とエジェクタ２０との間は配管１５４で繋がれている。配管１５４の下流側端部は、エジェクタ２０のうち供給口２５１に接続されている。

熱交換器１７０は、配管１９５を通る高温の燃焼排ガスと、配管１５３を通る水との間で熱交換を行わせることにより、水を加熱して水蒸気を生成するための熱交換器である。熱交換器１７０は、上記のように燃焼排ガスの熱によって水蒸気を生成し、当該水蒸気をエジェクタ２０に供給する。熱交換器１７０は、本実施形態における「蒸発器」に該当するものである。

水は、熱交換器１７０において加熱され水蒸気となった後に、配管１５４を通ってエジェクタ２０の供給口２５１に供給される。後に説明するように、エジェクタ２０では、供給された水蒸気が内部において噴射される。これにより、配管１４３からの原燃料ガス、及び配管１９２からの残余燃料のそれぞれが、エジェクタ２０の内部に吸引される。水蒸気、原燃料ガス、及び残余燃料は、混合された状態で配管１５５を通り改質器１２０に供給される。

このように、エジェクタ２０は、発電に寄与することなくセルスタック１１０から排出された残余燃料を吸引し、当該残余燃料を改質器１２０に送り込むものとして機能する。エジェクタ２０は、本実施形態における「再循環装置」に該当するものである。

改質器１２０に供給される原燃料ガスの流れについて説明する。原燃料ガスである都市ガスは、原燃料供給源１４０から配管１４１を通って燃料電池装置１０に供給され、ガスブロア１４２によって改質器１２０側に送り込まれる。ただし、ガスブロア１４２と改質器１２０との間は直結されておらず、両者の間にはエジェクタ２０が配置されている。本実施形態では、原燃料供給源１４０はガスメータである。

ガスブロア１４２とエジェクタ２０との間は配管１４３で繋がれている。配管１４３の下流側端部は、エジェクタ２０のうち第１吸引部２６０（後述）に接続されている。本実施形態では、ガスブロア１４２から送り込まれた原燃料ガスが、第１吸引部２６０からエジェクタ２０の内部に吸引される。吸引された原燃料ガスは、エジェクタ２０の内部において水蒸気等と混合され、配管１５５を通って改質器１２０に供給される。

セルスタック１１０と燃焼器１３０とを繋ぐ配管１５７は途中で分岐しており、分岐した配管１５８の下流側端部がエジェクタ２０の第２吸引部２７０（後述）に接続されている。本実施形態では、配管１５７を流れる残余燃料の一部が、配管１５８をエジェクタ２０に向かって流れた後、第２吸引部２７０からエジェクタ２０の内部に吸引される。吸引された残余燃料は、エジェクタ２０の内部において水蒸気及び原燃料ガスと混合され、配管１５５を通って改質器１２０に供給される。このような構成により、残余の燃料ガスに含まれる水蒸気や水素が、水蒸気改質や発電のために再利用される。

エジェクタ２０の具体的な構成について、図２を参照しながら説明する。エジェクタ２０は、駆動流体の流れを利用して被駆動流体を吸引する流体ポンプとして機能するものである。燃料電池装置１０においては、配管１５４からエジェクタ２０へと供給される水蒸気が駆動流体に該当する。また、配管１４３からエジェクタ２０へと吸引される原燃料ガス、及び配管１５８からエジェクタ２０へと吸引される残余燃料、のそれぞれが被駆動流体に該当する。エジェクタ２０は、ケース２００と、ノズル２５０と、第１吸引部２６０と、第２吸引部２７０と、を備えている。

ケース２００は、内部に空間が形成された筒状の部材である。当該空間は直線状の流路として形成されている。図２では、ケース２００の内部の空間において流体の流れる方向が点線の矢印ＤＬ１で示されている。ケース２００は、流体の流れる方向に対して垂直な断面の形状が円形となっている。ただし、その直径（断面の内径及び外径）は、上記方向に沿った各部において異なっている。ケース２００のうち上流側（図２では左側）の端部は、壁２１１により塞がれている。ケース２００のうち下流側（図２では右側）の端部には、流体の出口である排出口２３１が形成されている。

ケース２００は、本体部２１０と、混合部２２０と、ディフューザ部２３０と、を有しており、これらが一体となるように形成されている。本体部２１０は、ケース２００のうち最も上流側の部分である。本体部２１０のうち混合部２２０側の部分はテーパー状に形成されており、下流側に行くほどその内径が小さくなっている。本体部２１０は、第１吸引部２６０や第２吸引部２７０を通ってエジェクタ２０に吸引された被駆動流体を受け入れる部分となっている。

混合部２２０は、ケース２００のうち本体部２１０よりも下流側の部分であり、ディフューザ部２３０よりも上流側の部分である。混合部２２０は円筒形状となっており、その内径は位置に寄らず概ね一定である。混合部２２０は、駆動流体と被駆動流体とが混合されながら流れる部分となっている。

ディフューザ部２３０は、ケース２００のうち最も下流側の部分である。ディフューザ部２３０はテーパー状に形成されており、下流側に行くほどその内径が大きくなっている。ディフューザ部２３０は、混合部２２０を通過した流体（駆動流体及び被駆動流体）が、引き続きその圧力を上昇させながら流れる部分となっている。ディフューザ部２３０の下流側端部には、既に述べたように排出口２３１が形成されている。

ノズル２５０は、ケース２００の内部において駆動流体を噴射するための部材である。ノズル２５０は略円筒形状となっており、その内部には直線状の空間が形成されている。当該空間が、駆動流体の流れる流路となっている。ノズル２５０の中心軸はケース２００の中心軸に一致している。ノズル２５０は、ケース２００の壁２１１を垂直に貫いた状態で、ケース２００に対して固定されている。

ノズル２５０のうち上流側の端部は、ケース２００の外側に向けて突出している。当該端部には、駆動流体の入口である供給口２５１が形成されている。ノズル２５０のうち下流側の端部近傍の部分はテーパー状に形成されており、下流側に行くほどその内径が小さくなっている。ノズル２５０の下流側の端部には、駆動流体の出口である噴射口２５２が形成されている。供給口２５１からノズル２５０に供給された駆動流体は、その流速を高めながらノズル２５０の内部を流れた後、ケース２００の内部において噴射口２５２から噴射される。駆動流体が流れて噴射される方向は、混合部２２０及びディフューザ部２３０を流体が流れる方向、すなわち図２の矢印ＤＬ１で示される方向と同一である。以下では、当該方向のことを「噴射方向」とも称する。

第１吸引部２６０は円筒形状の配管であって、その一端がケース２００のうち本体部２１０の側壁２１２に接続されている。第１吸引部２６０の内部空間と、本体部２１０の内部空間とは繋がっている。第１吸引部２６０は、エジェクタ２０に吸引される被駆動流体をケース２００の内部に導くための部分となっている。第１吸引部２６０の中心軸は、ケース２００の中心軸に対して垂直に交差している。本実施形態では、第１吸引部２６０はケース２００と一体に形成されている。第１吸引部２６０の下流側端部、すなわち第１吸引部２６０と側壁２１２との接続部分には、被駆動流体の出口である第１吸引口２６１が形成されている。

第２吸引部２７０は円筒形状の配管であって、その一端がケース２００のうち本体部２１０の側壁２１２に接続されている。第２吸引部２７０が側壁２１２に接続されている位置は、第１吸引部２６０が側壁２１２に接続されている位置よりも噴射方向における下流側となっている。

第２吸引部２７０の内部空間と、本体部２１０の内部空間とは繋がっている。第１吸引部２６０と同様に、第２吸引部２７０は、エジェクタ２０に吸引される被駆動流体をケース２００の内部に導くための部分となっている。第２吸引部２７０の中心軸は、ケース２００の中心軸に対して垂直に交差している。本実施形態では、第２吸引部２７０はケース２００と一体に形成されている。第２吸引部２７０の下流側端部、すなわち第２吸引部２７０と側壁２１２との接続部分には、被駆動流体の出口である第２吸引口２７１が形成されている。

尚、エジェクタ２０を噴射方向に沿って見た場合において、第１吸引部２６０の中心軸と、第２吸引部２７０の中心軸とのなす角は、０度であってもよくそれ以外の角度であってもよい。

ノズル２５０の噴射口２５２から駆動流体が噴射されると、駆動流体の流れに起因して、ケース２００の内部における圧力は低下する。これにより、第１吸引部２６０及び第２吸引部２７０のそれぞれから被駆動流体が吸引され、本体部２１０の内部に流入する。吸引されたそれぞれの被駆動流体は、混合部２２０において駆動流体と合流し、駆動流体と混合されながら下流側に向かって流れる。その際、混合流体の圧力は、下流側に行くに従って次第に大きくなる。混合流体は、引き続き圧力を上昇させながらディフューザ部２３０を流れた後、排出口２３１から外部へと排出される。

図１に戻って説明を続ける。燃料電池装置１０による発電が行われているときには、水供給ポンプ１５２によって液体の水が加圧され、蒸発器である熱交換器１７０に送り込まれる。水は、熱交換器１７０において加熱され、水蒸気となってノズル２５０に供給される。エジェクタ２０の内部では、ノズル２５０の先端に形成された噴射口２５２から水蒸気が噴射される。当該水蒸気の流れによって、第１吸引部２６０からは原燃料ガスが吸引され、第２吸引部２７０からは残余燃料が吸引される。水蒸気、原燃料ガス、及び残余燃料は、エジェクタ２０の混合部２２０において混合され、混合部２２０からディフューザ部２３０において昇圧された後に排出口２３１から排出される。その後、排出された混合流体は配管１５５を通って改質器１２０に供給される。

このように、エジェクタ２０は、改質器１２０に供給される水蒸気の流れを利用して残余燃料を吸引し、水蒸気と共に残余燃料を改質器１２０に送り込むように構成されている。更に、エジェクタ２０は、改質器１２０に供給される水蒸気の流れを利用して原燃料ガスをも吸引し、水蒸気及び残余燃料と共に原燃料ガスを改質器１２０に送り込むように構成されている。流体ポンプであるエジェクタ２０が、残用燃料だけでなく原燃料ガスをも吸引するので、補機類（この場合はガスブロア１４２）の動作負荷が軽減されている。

尚、ガスブロア１４２の動作負荷を軽減する必要が無い場合には、配管１４３の下流側端部が、エジェクタ２０ではなく配管１５５の途中に接続さているような態様としてもよい。つまり、エジェクタ２０から排出された水蒸気及び残余燃料の流れに、原燃料ガスの流れが合流するような態様としてもよい。

ところで、エジェクタ２０に供給される駆動流体としては、水蒸気に替えて例えば原燃料ガスを用いることも考えられる。しかしながら、本実施形態では、駆動流体として水蒸気を用いることにより、駆動流体を供給するために必要となる補機類(この場合は水供給ポンプ１５２）の動作負荷が軽減されている。この点について、図３を参照しながら説明する。

図３は所謂モリエル線図であって、その横軸は駆動流体の比エンタルピであり、その縦軸は駆動流体の圧力である。また、臨界点ＣＰよりも左側に描かれた点線Ｌ１は飽和液線であり、臨界点ＣＰよりも右側に描かれた点線Ｌ２は飽和蒸気線である。以下では、それぞれ「飽和液線Ｌ１」及び「飽和蒸気線Ｌ２」と表記する。

図３の状態点Ｓ０１は、加圧及び加熱が行われる前における水の状態、すなわち、水供給ポンプ１５２によって加圧される前の水の状態を示す状態点である。また、状態点Ｓ０４は、加圧及び加熱が行われた後における水（水蒸気）の状態、すなわち、駆動流体としてエジェクタ２０に供給される直前における水蒸気の状態を示す状態点である。

本実施形態では既に述べたように、水は、加熱される前において先ず水供給ポンプ１５２によって加圧される。図３では、加圧された直後であって加熱されるよりも前における水の状態が、状態点Ｓ０２として示されている。水供給ポンプ１５２の加圧により、水の状態は等エントロピ線ＣＳ１に沿って変化し、状態点Ｓ０１から状態点Ｓ０２へと移行する。

一般的に知られているように、モリエル線図のうち液体の領域（つまり、飽和液線Ｌ１よりも左側）における等エントロピ線ＣＳ１は、ほぼ縦軸と平行な線となる。このため、状態点Ｓ０１から状態点Ｓ０２に移行する際における比エンタルピの増加量Δｈ１は、比較的小さくなっている。増加量Δｈ１は、水供給ポンプ１５２が行った仕事、すなわち、水供給ポンプ１５２の動作負荷に該当する。

水供給ポンプ１５２によって加圧された後、水は、蒸発器である熱交換器１７０によって加熱され、水蒸気となる。既に述べたように、図３では、水蒸気となった水の状態が状態点Ｓ０４として示されている。状態点Ｓ０２から状態点Ｓ０４に移行する際において、水（水蒸気）の圧力はほぼ一定である。

上記のような水の状態変化と比較するために、最初に水が加熱されて水蒸気となり、その後において水蒸気が加圧される場合の例について説明する。この場合であっても、最初の状態は状態点Ｓ０１であり、最終的な状態は状態点Ｓ０４である。

水の加熱が最初に行われる場合には、水の状態は状態点Ｓ０１から状態点Ｓ０３に移行する。このとき、水（水蒸気）の圧力はほぼ一定である。従って、状態点Ｓ０３における水の圧力は、状態点Ｓ０１と同じく低いままである。

その後、水の加圧が行われると、水の状態は等エントロピ線ＣＳ２に沿って変化し、状態点Ｓ０３から状態点Ｓ０４へと移行する。一般的に知られているように、モリエル線図のうち気体の領域（つまり、飽和蒸気線Ｌ２よりも右側）における等エントロピ線ＣＳ２は、等エントロピ線ＣＳ１に比べて右側に傾斜した線となる。このため、状態点Ｓ０３から状態点Ｓ０４に移行する際における比エンタルピの増加量Δｈ２は、比較的大きくなっている。

このように、水が水蒸気（つまり気体）となった後に加圧されるような構成においては、加圧に伴う水供給ポンプ１５２の動作負荷が大きくなってしまう。その結果、水供給ポンプ１５２における電力消費が大きくなり、燃料電池装置１０の全体における発電効率が低下してしまう。駆動流体として他の気体（原燃料ガス等）を用いる場合であっても、同様の問題が生じる。

それに対し本実施形態では、水が液体となっている状態において先ず加圧を行う構成とすることで、駆動流体の圧力を上昇させるために必要な補機類（水供給ポンプ１５２）の電力消費を抑制している。このような電力消費の抑制は、エジェクタ２０の駆動流体として水蒸気を用いることにより可能となるものである。

図１に戻って説明を続ける。エジェクタ２０の内部では、ノズル２５０から駆動流体が噴射されることに伴い、内部の圧力分布が一様ではなくなる。エジェクタ２０の内部における圧力は、噴射口２５２の近傍において最も低くなっており、噴射口２５２から遠ざかるほど高くなる傾向がある。このため、燃料電池装置１０の動作中においては、第２吸引口２７１における圧力が、第１吸引口２６１における圧力よりも低くなっている。

本実施形態では、第２吸引部２７０に接続される配管１５８の内部圧力（残余燃料の圧力）の方が、第１吸引部２６０に接続される配管１４３の内部圧力（原燃料ガスの圧力）よりも低くなっている。つまり、低圧側の配管１５８が低圧側の第２吸引部２７０に接続されており、高圧側の配管１４３が高圧側の第１吸引部２６０に接続されている。本実施形態では、エジェクタ２０の内部に生じている既存の圧力分布を利用することにより、配管１５８と配管１４３との間における圧力差が維持されている。圧力差を維持するために絞り等を設ける必要が無いので、流体が絞りを通過する際に生じるエネルギーロスが防止される。

尚、配管１５８の内部圧力の方が、配管１４３の内部圧力よりも高くなるような場合には、配管１４３を第２吸引部２７０に接続し、配管１５８を第１吸引部２６０に接続すればよい。

また、エジェクタ２０の吸引効果のみによって原燃料ガスの供給が十分に行えるのであれば、ガスブロア１４２が備えられていない構成としてもよい。

本発明の第２実施形態について、図４を参照しながら説明する。本実施形態では、エジェクタ２０Ａの構成についてのみ第１実施形態と異なっており、他の構成については第１実施形態と同一である。

エジェクタ２０Ａにおいては、矢印ＤＬ１で示される噴射方向に沿った座標において、第１吸引部２６０が側壁２１２に接続されている位置と、第２吸引部２７０が側壁２１２に接続されている位置と、が互いに同一となっている。このため、ノズル２５０から駆動流体が噴射されているときには、第１吸引口２６１における圧力と、第２吸引口２７１における圧力と、が互いに同一となる。

例えば、配管１５８の内部圧力と、配管１４３の内部圧力とが概ね等しいような場合には、上記のようなエジェクタ２０Ａが用いられることとすればよい。このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

本発明の第３実施形態について、図５を参照しながら説明する。本実施形態では、エジェクタ２０Ｂの構成、及びエジェクタ２０Ｂへの配管の接続態様についてのみ第１実施形態と異なっており、他の構成については第１実施形態と同一である。

エジェクタ２０Ｂは、第２吸引部２７０が設けられておらず、第１吸引部２６０のみが設けられている。また、第１吸引部２６０には合流部３００(点線Ａで囲まれた部分）が設けられている。

合流部３００は、第１配管部３１０と、第２配管部３２０とを有している。第１配管部３１０は、概ね円筒形状に形成された配管であって、エジェクタ２０Ｂの第１吸引部２６０に接続されている。第１配管部３１０の中心軸は、第１吸引部２６０の中心軸と一致している。

第１配管部３１０の内壁面３１２は、第１配管部３１０の長手方向における中央部分が中心軸側に突出している。つまり、第１配管部３１０は、内部に形成された流路の中央部分が絞られた形状となっている。

第２配管部３２０は円筒形状に形成された配管であって、その一端が第１配管部３１０の側面に接続されている。第２配管部３２０の中心軸は、第１配管部３１０の中心軸に対して垂直に交差している。第２配管部３２０の内部に形成された流路は、第１配管部３１０の内部に形成された流路と連通している。第１配管部３１０のうち第２配管部３２０が接続されている位置は、内部の流路（内壁面３１２）が絞られて最も狭くなっている位置となっている。

図示は省略するが、本実施形態では、第１配管部３１０の端部３１１には配管１４３が接続されており、第２配管部３２０の端部３２１には配管１５８が接続されている。配管１４３から原燃料ガスが供給されると、当該原燃料ガスは第１配管部３１０を通ってエジェクタ２０Ｂの本体部２１０に供給される。第１配管部３１０の内部では、上記のように流路が絞られているので、原燃料ガスの流速が高められている。その結果、第２配管部３２０の内部の圧力が低下して、配管１５８からの残余燃料が第２配管部３２０内に吸引される。

つまり、合流部３００は、第１配管部３１０における原燃料ガスの流れを利用して、第２配管部３２０の残余燃料を吸引するように構成されている。合流部３００では、原燃料ガスの流れと残余燃料の流れとが、エジェクタ２０Ｂ（再循環装置）に到達するよりも前において上記のように予め合流する。その結果、原燃料ガスと残余燃料との混合流体が、被駆動流体として合流部３００からエジェクタ２０Ｂに吸引される。

尚、配管１５８の内部圧力の方が、配管１４３の内部圧力よりも高くなるような場合には、第２配管部３２０の端部３２１に配管１４３を接続し、第１配管部３１０の端部３１１に配管１５８を接続すればよい。この場合、合流部３００は、第１配管部３１０における残余燃料の流れを利用して、第２配管部３２０の原燃料ガスを吸引するものとして機能することとなる。このように、原燃料ガスと残余燃料とのうち圧力の高い方が端部３１１から流入し、圧力の低い方が端部３２１から流入するような構成とすることが望ましい。

また、合流部３００に上記のようなベンチュリ管としての機能を持たせる必要が無い場合には、第１配管部３１０の流路における内径を一様としてもよい。

本発明の第４実施形態について、図６を参照しながら説明する。本実施形態では、エジェクタ２０Ｃの構成、及びエジェクタ２０Ｃへの配管の接続態様についてのみ第１実施形態と異なっており、他の構成については第１実施形態と同一である。

エジェクタ２０Ｃは、被駆動流体が吸引される部分が第２吸引部２７０の１箇所のみとなっており、図２等に示されるような第１吸引部２６０を備えていない。エジェクタ２０Ｃの構成は、この点においてのみエジェクタ２０（図２）の構成と異なっており、その他の点においてはエジェクタ２０の構成と同じである。

本実施形態に係る燃料電池装置１０Ｃでは、図１の第１実施形態と同様に、配管１５８の下流側端部がエジェクタ２０Ｃの第２吸引部２７０に接続されている。一方、配管１４３の下流側端部は、配管１５４の途中に接続されている。このため、再循環装置であるエジェクタ２０Ｃに供給される水蒸気には、予め配管１４３からの原燃料ガスが混合されることとなる。本実施形態では、水蒸気及び原燃料ガスの混合流体が、駆動流体としてエジェクタ２０Ｃに供給される。このような構成であっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

尚、水蒸気の流れに原燃料ガスの流れを合流させるにあたっては、原燃料ガスを予め加熱しておくことが望ましい。例えば、燃焼器１３０から排出された燃焼排ガスとの熱交換により、原燃料ガスを予め加熱するような構成とすればよい。

本実施形態のように、再循環手段であるエジェクタに供給される駆動流体には、水蒸気以外の流体が含まれていてもよい。同様に、エジェクタに吸引される被駆動流体には、残余燃料や原燃料ガス以外の流体が含まれていてもよい。

本発明の第５実施形態について、図７を参照しながら説明する。本実施形態では、エジェクタ２０に替えて圧縮機４０が用いられている点において第２実施形態と異なっている。

圧縮機４０は、本実施形態に係る燃料電池装置１０Ｄにおいて、エジェクタ２０と同様に再循環装置として機能するものである。圧縮機４０は、第１容器４１０と、第２容器４２０と、第１羽根車４１と、第２羽根車４２と、を備えている。

第１容器４１０は、駆動流体を内部に受け入れるための容器である。第１容器４１０には、熱交換器１７０から伸びる配管１５４の端部が接続されている。第２容器４２０は、被駆動流体を吸引して受け入れるための容器である。第２容器４２０には、配管１５７から分岐して伸びる配管１５８の端部と、ガスブロア１４２から伸びる配管１４３の端部とが接続されている。また、第１容器４１０と第２容器４２０との間は、配管４３０によって接続されている。更に、第２容器４２０と改質器１２０との間は、配管１５５によって接続されている。

第１羽根車４１は、外部(配管１５４）から供給される駆動流体の流れを受けて回転する羽根車である。第１羽根車４１は、本実施形態における「第１回転部」に該当する。第１羽根車４１は、第１容器４１０の内部に収納されている。第１容器４１０のうち配管１５４が接続されている部分は、第１羽根車４１の中心軸からの距離が最も遠い部分となっている。このため、駆動流体である水蒸気は、第１羽根車４１の外周側となる位置において第１羽根車４１に当たり、第１羽根車４１を回転させる。

また、第１容器４１０のうち配管４３０が接続されている部分は、第１羽根車４１の中心軸と重なる部分となっている。このため、水蒸気は羽根車の外周側から中心に向かって流れた後、配管４３０を経由して第２容器４２０へと流入する。

第２羽根車４２は、被駆動流体を吸引するために設けられた羽根車である。第２羽根車４２は、第２容器４２０の内部に収納されている。第２羽根車４２の中心軸は、第１羽根車４１の中心軸と一致している。第１羽根車４１と第２羽根車４２との間は、シャフト４３によって連結されている。シャフト４３は円柱形状の部材であって、その中心軸は第１羽根車４１等の中心軸と一致している。シャフト４３は、第１容器４１０の一部及び第２容器４２０の一部を貫いており、これらによってその中心軸周りに回転自在な状態で支持されている。

このため、第１羽根車４１が駆動流体の流れによって回転すると、シャフト４３及び第２羽根車４２も同時に回転する。第２羽根車４２の回転によって、第２容器４２０の内部には、配管１５８からの残余燃料、配管１４３からの原燃料ガス、のいずれもが吸引される。更に、第２容器４２０の内部には、配管４３０を通った水蒸気も流入する。

第２容器４２０のうち配管１５５が接続されている部分は、第２羽根車４２の中心軸からの距離が最も遠い部分となっている。また、第２容器４２０は、吸引された残余燃料、原燃料ガス、及び水蒸気が、第２羽根車４２の中心軸側から外周側に向かって流れるように構成されている。残余燃料、原燃料ガス、及び水蒸気の混合流体は、第２羽根車４２の回転によって圧縮され昇圧されながら外周側に向かって流れる。その後、配管１５５を通って改質器１２０に供給される。

このように、第２羽根車４２は、第１羽根車４１と共に回転することにより外部から被駆動流体（残余燃料及び原燃料ガス）を吸引し、駆動流体(水蒸気）と共に被駆動流体を圧縮して送り出す「第２回転部」に該当する。

本実施形態のように、再循環装置としてエジェクタ以外の装置を用いた場合でも、第１実施形態と同様の効果を奏する。

尚、圧縮機４０の吸引効果のみによって原燃料ガスの供給が十分に行えるのであれば、ガスブロア１４２が備えられていない構成としてもよい。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，１０Ｃ，１０Ｄ：燃料電池装置
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ：エジェクタ
４０：圧縮機
４１：第１羽根車
４２：第２羽根車
１１０：セルスタック
１２０：改質器
１３０：燃焼器
１５２：水供給ポンプ
１７０：熱交換器（蒸発器）
３００：合流部

Claims (9)

1. 原燃料ガス及び水蒸気の供給を受けて水蒸気改質を行い、これにより燃料ガスを生成する改質器（１２０）と、
   燃料ガスの供給を受けて発電するセルスタック（１１０）と、
   発電に寄与することなく前記セルスタックから排出された残余の燃料ガス、である残余燃料を吸引し、当該残余燃料を前記改質器に送り込む再循環装置（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，４０）と、を備え、
   前記再循環装置が、前記改質器に供給される水蒸気の流れを利用して残余燃料を吸引し、水蒸気と共に残余燃料を前記改質器に送り込むように構成されている燃料電池装置。
2. 液体の水を加圧して送り出す水供給装置（１５２）と、
   前記水供給装置から送り出された水を加熱して水蒸気を生成し、当該水蒸気を前記再循環装置に供給する蒸発器（１７０）と、を更に備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 残余燃料を燃焼させて燃焼排ガスを生じさせる燃焼器（１３０）を更に備え、
   前記蒸発器は、前記燃焼器から供給される燃焼排ガスの熱によって水蒸気を生成する、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記再循環装置は、前記改質器に供給される水蒸気の流れを利用して原燃料ガスをも吸引し、水蒸気及び残余燃料と共に原燃料ガスを前記改質器に送り込むように構成されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 前記再循環装置に吸引される残余燃料及び原燃料ガスを、前記再循環装置に到達する前において予め合流させる合流部（３００）を更に備える、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記合流部は、
   残余燃料及び原燃料ガスのうち一方の流れを利用して、他方を吸引するように構成されている、請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記再循環装置に供給される水蒸気には、予め原燃料ガスが混合されている、請求項１に記載の燃料電池装置。
8. 前記再循環装置は、
   外部から供給される駆動流体を内部で噴射し、噴射された駆動流体の流れによって外部から被駆動流体を吸引するエジェクタ（２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）として構成されている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
9. 前記再循環装置は、
   外部から供給される駆動流体の流れによって回転する第１回転部（４１）と、
   前記第１回転部と共に回転することにより外部から被駆動流体を吸引し、駆動流体と共に被駆動流体を圧縮して送り出す第２回転部（４２）と、を備えた圧縮機（４０）として構成されている、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。

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